POTENZIALE IDRICO: COMPONENTI, METODI ED ESEMPI - AMBIENTE - 2026

Il potenziale idrico è l'energia libera o in grado di svolgere un lavoro, che ha un certo volume d'acqua. Pertanto, l'acqua in cima a una cascata o cascata ha un alto potenziale idrico che, ad esempio, è in grado di muovere una turbina.

Il simbolo usato per riferirsi al potenziale idrico è la lettera greca maiuscola chiamata psi, che si scrive Ψ. Il potenziale idrico di qualsiasi impianto viene misurato in riferimento al potenziale idrico dell'acqua pura in condizioni considerate standard (pressione di 1 atmosfera e stessa altezza e temperatura dell'impianto da studiare).

Potenziale osmotico. Fonte: Kade Kneeland / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

I fattori che determinano il potenziale idrico sono la gravità, la temperatura, la pressione, l'idratazione e la concentrazione dei soluti presenti nell'acqua. Questi fattori determinano la formazione di gradienti di potenziale idrico e questi gradienti guidano la diffusione dell'acqua.

In questo modo l'acqua si sposta da un sito ad alto potenziale idrico ad un altro con basso potenziale idrico. I componenti del potenziale idrico sono il potenziale osmotico (concentrazione di soluti nell'acqua), potenziale matriciale (adesione dell'acqua a matrici porose), potenziale gravitazionale e potenziale di pressione.

La conoscenza del potenziale idrico è essenziale per comprendere il funzionamento di vari fenomeni idrologici e biologici. Questi includono l'assorbimento di acqua e sostanze nutritive da parte delle piante e il flusso d'acqua nel terreno.

Componenti del potenziale idrico

Il potenziale idrico è costituito da quattro componenti: potenziale osmotico, potenziale matriciale, potenziale gravitazionale e potenziale di pressione. L'azione di questi componenti determina l'esistenza di gradienti di potenziale idrico.

Potenziale osmotico (Ψs)

Normalmente l'acqua non è allo stato puro, poiché ha disciolto dei solidi (soluti), come i sali minerali. Il potenziale osmotico è dato dalla concentrazione dei soluti nella soluzione.

Maggiore è la quantità di soluti disciolti, minore è l'energia libera dell'acqua, ovvero minore è il potenziale idrico. Pertanto, l'acqua cerca di stabilire un equilibrio scorrendo da soluzioni con una bassa concentrazione di soluti a soluzioni con un'alta concentrazione di soluti.

Matrico o potenziale di matrice (Ψm)

In questo caso, il fattore determinante è la presenza di una matrice o struttura di materiale idratabile, cioè ha un'affinità per l'acqua. Ciò è dovuto alle forze di adesione create tra le molecole, in particolare i legami idrogeno formati tra molecole d'acqua, atomi di ossigeno e gruppi idrossilici (OH).

Ad esempio, l'adesione dell'acqua alle argille del suolo è un caso di potenziale idrico basato sul potenziale matriciale. Queste matrici attirando l'acqua generano un potenziale idrico positivo, quindi l'acqua esterna alla matrice scorre verso di essa e tende a rimanere all'interno come accade in una spugna.

Altezza o potenziale gravitazionale (Ψg)

La forza gravitazionale della Terra è in questo caso quella che stabilisce il potenziale gradiente, poiché l'acqua tenderà a cadere verso il basso. L'acqua situata ad una certa altezza ha un'energia libera determinata dall'attrazione che la Terra esercita sulla sua massa.

Movimento dell'acqua per gravità. Fonte: Bilal ahmad / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Ad esempio, l'acqua in un serbatoio dell'acqua rialzato cade liberamente lungo il tubo e viaggia con quell'energia cinetica (movimento) fino a raggiungere il rubinetto.

Potenziale di pressione (Ψp)

In questo caso l'acqua in pressione ha una maggiore energia libera, cioè un maggiore potenziale idrico. Pertanto, quest'acqua si sposterà da dove è sotto pressione a dove non lo è, e di conseguenza c'è meno energia libera (meno potenziale idrico).

Ad esempio, quando dosiamo le gocce utilizzando un contagocce, premendo la manopola di gomma stiamo applicando una pressione che dà energia all'acqua. A causa di questa maggiore energia libera, l'acqua si sposta verso l'esterno dove la pressione è inferiore.

Metodi per determinare il potenziale idrico

Esistono diversi metodi per misurare il potenziale idrico, alcuni adatti al suolo, altri ai tessuti, ai sistemi idraulici meccanici e altri. Il potenziale idrico è equivalente alle unità di pressione e viene misurato in atmosfere, bar, pascal o psi (libbre per pollice quadrato nel suo acronimo in inglese).

Ecco alcuni di questi metodi:

Pompa Scholander o camera a pressione

Se vuoi misurare il potenziale idrico di una foglia di una pianta, puoi usare una camera a pressione o una pompa Scholander. Questa è costituita da una camera ermetica dove è collocata l'intera foglia (foglio con il suo picciolo).

Misurazione del potenziale idrico di una foglia con una camera a pressione. Fonte: Pressurebomb.svg: Aibdescalzoderivative work: Aibdescalzo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Quindi la pressione all'interno della camera viene aumentata introducendo un gas in pressione, misurando la pressione che si sta raggiungendo tramite un manometro. La pressione del gas sulla foglia è in aumento, al punto che l'acqua in essa contenuta sgorga attraverso il tessuto vascolare del picciolo.

La pressione indicata dal manometro quando l'acqua esce dalla foglia corrisponde al suo potenziale idrico.

Sonde di pressione

Esistono diverse alternative per misurare il potenziale idrico utilizzando strumenti speciali chiamati sonde di pressione. Sono progettati per misurare il potenziale idrico del suolo, basato principalmente sul potenziale matriciale.

Ad esempio, ci sono sonde digitali che funzionano sulla base dell'introduzione di una matrice ceramica porosa collegata a un sensore di umidità nel terreno. Questa ceramica viene idratata con l'acqua all'interno del terreno fino a raggiungere un equilibrio tra il potenziale idrico all'interno della matrice ceramica e il potenziale idrico del terreno.

Successivamente, il sensore determina il contenuto di umidità della ceramica e stima il potenziale idrico del terreno.

Microcapillare con sonda di pressione

Esistono anche sonde in grado di misurare il potenziale idrico nei tessuti vegetali, come il fusto di una pianta. Un modello è costituito da un tubo molto sottile a punta fine (tubo micropillare) che viene inserito nel tessuto.

La soluzione contenuta nelle cellule, penetrando nel tessuto vivente, segue un potenziale gradiente definito dalla pressione contenuta nello stelo e viene introdotta nel micropilo. Quando il liquido dallo stelo entra nel tubo, spinge un olio in esso contenuto che attiva una sonda di pressione o un manometro che assegna un valore corrispondente al potenziale dell'acqua

Variazioni di peso o volume

Per misurare il potenziale idrico basato sul potenziale osmotico, è possibile determinare le variazioni di peso di un tessuto immerso in soluzioni a diverse concentrazioni di un soluto. Per questo vengono preparate una serie di provette, ciascuna con una concentrazione nota crescente di un soluto, ad esempio saccarosio (zucchero).

Cioè, se ci sono 10 cc di acqua in ciascuna delle 5 provette, si aggiunge 1 mg di saccarosio nella prima provetta, 2 mg nella seconda, e quindi fino a 5 mg nell'ultima. Quindi abbiamo una batteria in aumento di concentrazioni di saccarosio.

Quindi, 5 sezioni di peso uguale e noto vengono tagliate dal tessuto di cui si desidera determinare il potenziale idrico (ad esempio pezzi di patate). Una sezione viene quindi inserita in ciascuna provetta e dopo 2 ore le sezioni di tessuto vengono rimosse e pesate.

Risultati attesi e interpretazione

Alcuni pezzi dovrebbero perdere peso a causa della perdita di acqua, altri avranno guadagnato peso perché hanno assorbito acqua e altri ancora manterranno il peso.

Quelli che hanno perso acqua erano in una soluzione in cui la concentrazione di saccarosio era maggiore della concentrazione di soluto all'interno del tessuto. Pertanto, l'acqua scorreva in base al gradiente di potenziale osmotico dalla concentrazione più alta a quella più bassa e il tessuto ha perso acqua e peso.

Al contrario, il tessuto che ha guadagnato acqua e peso era in una soluzione con una concentrazione di saccarosio inferiore rispetto alla concentrazione di soluti all'interno del tessuto. In questo caso, il gradiente di potenziale osmotico ha favorito l'ingresso di acqua nel tessuto.

Infine, nel caso in cui il tessuto abbia mantenuto il suo peso originario, si deduce che la concentrazione in cui è stato trovato ha la stessa concentrazione di soluto. Pertanto, questa concentrazione corrisponderà al potenziale idrico del tessuto studiato.

Esempi

Assorbimento d'acqua da parte delle piante

Un albero alto 30 m ha bisogno di trasportare l'acqua dal terreno all'ultima foglia, e questo avviene attraverso il suo sistema vascolare. Questo sistema è un tessuto specializzato costituito da cellule morte e che sembrano tubi molto sottili.

Movimento dell'acqua nelle piante. Fonte: Laurel Jules / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Il trasporto è possibile grazie alle differenze di potenziale idrico che si generano tra l'atmosfera e la foglia, che a sua volta viene trasmessa al sistema vascolare. La foglia perde acqua allo stato gassoso a causa della maggiore concentrazione di vapore acqueo in essa (maggiore potenziale idrico) rispetto all'ambiente (minore potenziale idrico).

La perdita di vapore genera una pressione negativa o aspirazione che spinge l'acqua dai vasi del sistema vascolare verso la lamina fogliare. Questa aspirazione viene trasmessa da vaso a vaso fino a raggiungere la radice, dove le cellule e gli spazi intercellulari vengono assorbiti dall'acqua assorbita dal terreno.

L'acqua proveniente dal suolo penetra nella radice a causa di una differenza di potenziale osmotico tra l'acqua nelle cellule dell'epidermide della radice e quella del suolo. Ciò si verifica perché le cellule della radice hanno soluti in concentrazioni più elevate rispetto all'acqua del suolo.

Mucillagini

Molte piante in ambienti asciutti trattengono l'acqua producendo mucillagini (sostanza viscosa) che vengono immagazzinate nei loro vacuoli. Queste molecole trattengono l'acqua, riducendone l'energia libera (basso potenziale idrico), in questo caso determinante è la componente matriciale del potenziale idrico.

Un serbatoio d'acqua rialzato

Nel caso di un sistema di approvvigionamento idrico basato su un serbatoio rialzato, lo stesso viene riempito d'acqua per effetto del potenziale di pressione. L'azienda che fornisce il servizio idrico, fa pressione su di esso tramite pompe idrauliche e supera così la forza di gravità per raggiungere il serbatoio.

Una volta che il serbatoio è pieno, l'acqua viene distribuita da esso grazie ad una differenza di potenziale tra l'acqua immagazzinata nel serbatoio e le prese d'acqua della casa. L'apertura di un rubinetto stabilisce un potenziale gradiente gravitazionale tra l'acqua del rubinetto e quella della vasca.

Pertanto, l'acqua nel serbatoio ha una maggiore energia libera (maggiore potenziale idrico) e cade principalmente a causa della forza di gravità.

Diffusione dell'acqua nel suolo

La componente principale del potenziale idrico del suolo è il potenziale matriciale, data la forza di adesione che si instaura tra le argille e l'acqua. D'altra parte, il potenziale di gravità influenza il gradiente di spostamento verticale dell'acqua nel suolo.

Molti processi che avvengono nel suolo dipendono dall'energia libera dell'acqua contenuta nel suolo, cioè dal suo potenziale idrico. Questi processi includono la nutrizione e la traspirazione delle piante, l'infiltrazione dell'acqua piovana e l'evaporazione dell'acqua dal suolo.

In agricoltura è importante determinare il potenziale idrico del suolo per applicare correttamente l'irrigazione e la fertilizzazione. Se il potenziale matriciale del terreno è molto elevato, l'acqua rimarrà attaccata alle argille e non sarà disponibile per l'assorbimento da parte delle piante.

Riferimenti

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